Arduino傳感器套件多用電路板的設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：解文軍(1968—)，男，哈爾濱人，助理工程師，長(zhǎng)期從事單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)及教學(xué)工作。

0   引言

Arduino 是一個(gè)開(kāi)源的電子硬件平臺(tái)，包含硬件和軟件2 個(gè)主要的部分，硬件部分是可用于連接各種傳感器的Arduino 電路板，軟件部分是可用于程序設(shè)計(jì)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境Arduino IDE^[1]。在實(shí)際的創(chuàng)新教育訓(xùn)練、學(xué)生競(jìng)賽以及產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)中Arduino 被大量使用，早已成為一款被廣泛應(yīng)用的開(kāi)發(fā)平臺(tái), 備受廣大創(chuàng)客追捧。[2] 各種Arduino 學(xué)習(xí)套件中都包含一二十種傳感器，每種傳感器都對(duì)應(yīng)一種印制電路板?！耙环N電路一種板”可說(shuō)是電子專(zhuān)業(yè)理所當(dāng)然的基本常識(shí)，然而對(duì)于一些電路簡(jiǎn)單、元件非常少、結(jié)構(gòu)型式相同的電路，可以做到“幾種電路一種板”。本文就是將Arduino 傳感器套件中12 種傳感器電路做到3 種多用印制電路板上。

1   Arduino傳感器套件簡(jiǎn)介

Arduino 學(xué)習(xí)套件包含Arduino 電路板、若干種傳感器和大量開(kāi)源的用于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展的外圍功能電路（如舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器、液晶顯示屏等）^[3]。各種Arduino 學(xué)習(xí)套件中最基本、最常見(jiàn)的傳感器有12 種：數(shù)字震動(dòng)傳感器、單向傾角傳感器、磁感應(yīng)傳感器、按壓式大按鈕模塊（碰撞開(kāi)關(guān)）、LM35 模擬溫度傳感器、DS18B20 數(shù)字溫度傳感器、紅外接收傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、角度傳感器、光線亮度傳感器、濕敏傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?。?shù)字震動(dòng)傳感器使用的傳感器是SW-18010P，是一種彈簧型無(wú)方向性振動(dòng)感應(yīng)器件。在靜止時(shí)任何角度都為開(kāi)路狀態(tài)，當(dāng)受到外力碰撞或者大力晃動(dòng)時(shí)，彈簧變形和中心電極接觸使兩個(gè)引腳瞬間為導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)外力消失時(shí)恢復(fù)為開(kāi)路狀態(tài)。單向傾角傳感器是基于鋼球開(kāi)關(guān)的數(shù)字模塊，利用鋼球的特性，通過(guò)重力作用使鋼球向低處滾動(dòng)，從而使開(kāi)關(guān)閉合或斷開(kāi)。磁感應(yīng)傳感器是基于干簧管的數(shù)字模塊，干簧管是一種磁敏開(kāi)關(guān)。當(dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí)，管內(nèi)的常開(kāi)簧片接點(diǎn)就會(huì)感應(yīng)出極性相反的磁極而相互吸引閉合；當(dāng)磁力減小到一定值時(shí)，接點(diǎn)又恢復(fù)到斷開(kāi)狀態(tài)。^[4] 按壓式大按鈕模塊（碰撞開(kāi)關(guān)）是基于按鍵的數(shù)字開(kāi)關(guān)量輸入模塊，按下按鍵輸出低電平。LM35 溫度傳感器是一款半導(dǎo)體溫度傳感器，輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，每升高1 ℃，輸出電壓增加10 mV。LM35 溫度傳感器常用封裝TO-92，其引腳定義為：①電源正+V_s；②信號(hào)輸出V_out；③電源地GND。DS18B20 溫度傳感器采用可編程單總線數(shù)字溫度感測(cè)元件DS18B20，其測(cè)溫范圍-55 ～ 125 ℃，固有分辨率0.5 ℃。DS18B20 常用封裝TO-92，其引腳定義為：①電源地GND；②數(shù)據(jù)輸入/ 輸出DQ；③電源輸入端VDD。紅外接收傳感器可接收紅外線發(fā)射傳感器發(fā)射出的38 kHz 調(diào)制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)紅外無(wú)線通信。此傳感器含有紅外一體化接收頭，常用型號(hào)為HS0038 等，采用3 腳直插封裝，其引腳定義為：①信號(hào)輸出OUT；②電源地GND；③電源正V_cc。DHT11溫濕度傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件。該傳感器為4 針單排引腳封裝，其引腳定義為：① VDD 供電；② DATA 串行數(shù)據(jù)；③ NC 空腳；④ GND 接地。角度傳感器利用旋轉(zhuǎn)電位器測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度，從0 ～ 300°。它兩端接電源和地，中間抽頭接信號(hào)輸出。光線亮度傳感器使用光敏電阻來(lái)檢測(cè)周?chē)h(huán)境光線的亮度。光敏電阻的電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而變化：入射光弱，電阻增大；入射光強(qiáng)，電阻減小。濕敏傳感器使用濕敏電阻HR202L 來(lái)檢測(cè)周?chē)h(huán)境的濕度。濕敏電阻的電阻值隨著濕度的增加而急劇下降，大體按指數(shù)規(guī)律下降?；鹧?zhèn)鞲衅骼眉t外線接收管來(lái)探測(cè)火源或其它熱源。紅外線接收管可將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓?，?jīng)過(guò)串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)換為模擬量電壓信號(hào)。

2   Arduino傳感器套件分類(lèi)

按照傳感器的引腳數(shù)量、信號(hào)特性和電路結(jié)構(gòu)型式,可將12 種傳感器歸納為3 種類(lèi)型。

2.1 兩端開(kāi)關(guān)量傳感器

雖然震動(dòng)傳感器、傾角傳感器、磁感應(yīng)傳感器和大按鈕模塊的功能各異，但它們的電路原理一樣都是開(kāi)關(guān)，輸出信號(hào)都是開(kāi)關(guān)量。震動(dòng)傳感器、傾角傳感器和磁感應(yīng)傳感器都是2 個(gè)端腳元件，大按鈕模塊雖為四腳元件，但兩腳為一組相通，在電路意義上實(shí)為兩端元件，因此可將這四種傳感器歸納為兩端開(kāi)關(guān)量傳感器。

2.2 兩端模擬量傳感器

光敏電阻、濕敏電阻和紅外線接收管都是2 個(gè)端腳元件。光敏電阻和濕敏電阻的阻值變化需通過(guò)其兩端的輸出電壓來(lái)檢測(cè)，為模擬量。紅外線接收管可將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓?，?jīng)過(guò)串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)換為模擬量電壓信號(hào)。因此可將光線亮度傳感器、濕敏傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳉w納為兩端模擬量傳感器。

2.3 三端傳感器

LM35 溫度傳感器、DS18B20 溫度傳感器和紅外接收傳感器都有3 個(gè)引腳，名稱(chēng)相同或?qū)嶋H含義相近，只是排列序號(hào)不同。角度傳感器雖不是集成電路，但它3個(gè)引腳的實(shí)際含義與前面3 種傳感器相同或相近，其排列序號(hào)與LM35 相同。DHT11 溫濕度傳感器雖有4 個(gè)引腳，但有1 個(gè)空腳，其他3 個(gè)引腳的實(shí)際含義與前面3 種傳感器相同或相近，只是排列序號(hào)不同，在電路意義上實(shí)為三端元件。因此可將這5 種傳感器歸納為三端傳感器。

3   Arduino傳感器套件多用電路板的設(shè)計(jì)

將12 種傳感器歸納為3 種類(lèi)型后，可據(jù)此設(shè)計(jì)3種傳感器多用印制電路板。

3.1 兩端開(kāi)關(guān)量傳感器多用電路板的設(shè)計(jì)

若將4 種開(kāi)關(guān)量傳感器的電路原理圖分別畫(huà)在4 張或者畫(huà)在1 張電路原理圖上[5]，都不難發(fā)現(xiàn)它們的電路結(jié)構(gòu)型式一樣?，F(xiàn)將4 種傳感器的電路原理圖合并整理在1 張電路原理圖上，如圖1 所示。

圖1 4種開(kāi)關(guān)量傳感器的電路原理圖

根據(jù)圖1 繪制印制電路板圖（PCB）。布局時(shí)將震動(dòng)開(kāi)關(guān)S1、傾角開(kāi)關(guān)S2、干簧管開(kāi)關(guān)S3 和按鍵SW1的PCB 封裝重疊放置。傾角開(kāi)關(guān)S2 和干簧管開(kāi)關(guān)S3的PCB 封裝完全相同，這2 個(gè)元件完全重合放置。布完連線的PCB 見(jiàn)圖2。

圖2 兩端開(kāi)關(guān)量傳感器多用電路板

按圖2 生產(chǎn)制作PCB 板，可分別用作4 種開(kāi)關(guān)量傳感器的PCB 板：在S1 處焊上震動(dòng)開(kāi)關(guān)，就成為震動(dòng)傳感器；在S2 處焊上傾角開(kāi)關(guān)，就成為傾角傳感器；在S3 處焊上干簧管開(kāi)關(guān)，就成為磁感應(yīng)傳感器；在SW1 處焊上四腳按鍵，就成為大按鈕模塊。4 種開(kāi)關(guān)量傳感器完全可通過(guò)4 種元件的外形來(lái)區(qū)分。

3.2 兩端模擬量傳感器多用電路板的設(shè)計(jì)

如將1 只光敏電阻與1 只分壓電阻串聯(lián)，則光敏電阻的阻值隨光強(qiáng)的變化而改變，從而改變光敏電阻兩端的輸出電壓，以此來(lái)檢測(cè)周?chē)h(huán)境光線的亮度，電路原理見(jiàn)圖3。圖3 中R3 為分壓電阻，R1 為光敏電阻，S為輸出電壓信號(hào)。

圖3 3種兩端模擬量傳感器的電路原理圖

如將1 只濕敏電阻與1 只分壓電阻R3 串聯(lián)，則濕度的變化能改變濕敏電阻的阻值，從而改變濕敏電阻兩端的輸出電壓，以此來(lái)檢測(cè)周?chē)h(huán)境濕度，電路原理見(jiàn)圖3，R2 為濕敏電阻。紅外線接收管電流的變化，經(jīng)過(guò)串聯(lián)電阻R3 轉(zhuǎn)換為模擬量電壓信號(hào)，以此來(lái)檢測(cè)周?chē)h(huán)境熱源或火源，電路原理見(jiàn)圖3，Q1 為紅外線接收管。在圖3 中易見(jiàn)，上述3 種傳感器的電路原理圖相同，電路結(jié)構(gòu)型式一樣，所以可將3 種傳感器的印制電路板圖（PCB）繪制在1 塊PCB 圖上。布局時(shí)將光敏電阻R1 和濕敏電阻R2 的PCB 封裝重疊放置，紅外線接收管Q1 的PCB 封裝放置在電阻R1 封裝內(nèi)，布完連線的PCB 見(jiàn)圖4。

圖4 兩端模擬量傳感器多用電路板

按圖4 生產(chǎn)制作PCB 板，可分別用作3 種兩端模擬量傳感器的PCB 板：在R1 處焊上光敏電阻，就成為光線亮度傳感器；在R2 處焊上濕敏電阻HR202L，就成為濕敏傳感器；在Q1 處焊上紅外線接收管，就成為火焰?zhèn)鞲衅鳌? 種傳感器可完全通過(guò)3 種元件的外形來(lái)區(qū)分。

3.3 三端傳感器多用電路板的設(shè)計(jì)

圖5 為5 種三端傳感器電路原理圖，其中U1 為紅外接收傳感器，U2 為L(zhǎng)M35 溫度傳感器，U3 為DHT11溫濕度傳感器，U4 為DS18B20 溫度傳感器，RP1 為角度電位器，電阻R1 為信號(hào)S 的上拉電阻。根據(jù)圖5繪制印刷電路板圖（PCB）。由于U4 和U2 的3 個(gè)引腳網(wǎng)絡(luò)線排列順序相反，故布局時(shí)將元件U4 和U2 的PCB 封裝背對(duì)背放置，3 個(gè)焊盤(pán)中心對(duì)齊重合，二者位于旋轉(zhuǎn)電位器封裝內(nèi)。圖6 為布完連線的PCB。

圖5 5種三端傳感器電路原理圖

圖6 三端傳感器多用電路板

按圖6 生產(chǎn)制作PCB 板，可分別用作5 種三端傳感器的PCB 板：在U1 處焊上元件HS0038，就成為紅外接收傳感器；在U2 處焊上元件LM35，就成為L(zhǎng)M35溫度傳感器；在U3 處焊上元件DHT11，就成為DHT11溫濕度傳感器；在U4 處焊上元件DS18B20，就成為DS18B20 溫度傳感器；在RP1 處焊上旋轉(zhuǎn)電位器，注意不焊上拉電阻R1，就成為角度傳感器。5 種三端傳感器可通過(guò)5 種三端元件的外形來(lái)區(qū)分，且生產(chǎn)廠商也會(huì)在外包裝小塑料袋上粘貼標(biāo)簽來(lái)區(qū)分，或在多用電路板上粘貼標(biāo)簽來(lái)區(qū)分。由于U2 和U4 的外形完全一樣，在粘貼標(biāo)簽脫落的情況下，需要通過(guò)辨認(rèn)U2 和U4 元件上的符號(hào)標(biāo)識(shí)LM35 或DS18B20 來(lái)區(qū)分。

4   結(jié)束語(yǔ)

原本12 種傳感器對(duì)應(yīng)有12 種印制電路板，現(xiàn)僅用3 種多用電路板，這樣可以節(jié)省9 塊PCB 板的工程費(fèi)，減少備板的種類(lèi)和數(shù)量，生產(chǎn)制作靈活。

參考文獻(xiàn)：

[1] 溫泉河,朱靜,黃文愷.ArduBlock機(jī)器人互動(dòng)設(shè)計(jì)與創(chuàng)客教育[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)(專(zhuān)業(yè)版),2016(34):45-48.

[2] 朱明,劉文杰,覃振權(quán).基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2017(2):57-59.

[3] 劉哲旭,趙珍.基于Arduino開(kāi)源平臺(tái)的電子創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2019(1):135-138.

[4] 郭愛(ài)芳.傳感器原理及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2020.

[5] 劉超.Altium Designer原理圖與PCB設(shè)計(jì)精講教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2018.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）